2022北京冬季奧運會雪車雪橇中心賽道熱環(huán)境影響分析*

中國建筑設(shè)計研究院有限公司 林 波 劉 鵬 王陳棟

0 引言

雪橇項目(Luge)起源于北歐，是一種仰臥在不裝設(shè)舵板的木質(zhì)雪橇上、沿專設(shè)的冰雪線路滑降的一項冬季運動，其比賽賽道一般是用混凝土或木材建造的、具有一定坡度的凹型滑道[1]。賽道寬1.40 m，兩側(cè)為護墻。護墻內(nèi)側(cè)高1.40 m，外側(cè)高2～7 m。賽道及兩側(cè)的護墻均需澆冰。1968年法國格勒諾布爾(Grenoble)冬季奧運會的雪車雪橇賽道首次采用了混凝土進行建造[2]，并采用了許多氣候適應(yīng)措施。到目前為止，全世界現(xiàn)在運行的有15座標準雪橇賽場，北京冬奧會的雪車雪橇賽道將是中國的第一條該項目賽道，在項目選址、賽道特征、模塊構(gòu)造、施工工藝等方面，均是國內(nèi)首次嘗試。

1 氣候影響要素及機理分析

1.1 雪車雪橇賽道影響機理分析

考慮到雪車雪橇運動的特殊性，對雪車雪橇的賽道需要考慮氣候因素，防止不利氣候因素對賽道冰面造成不利影響。主要的不利因素包括：

1) 太陽輻射，包括直射輻射、散射輻射和地表反射輻射；

2) 地表氣溫；

3) 賽道表面風(fēng)速。

對于暴露在強烈日照和惡劣天氣條件下的賽道冰面，必須采取必要的措施進行保護。而賽道周邊的熱環(huán)境影響差異主要來源于日照輻射高度角和因地形起伏形成的陰影所帶來的地表得熱狀況的差異。這部分得熱量分直接得熱和間接得熱兩部分，其中直接得熱表現(xiàn)為地表入射日照輻射強度差異，間接得熱表現(xiàn)為地表溫度差異。

1.2 實測數(shù)據(jù)對比

本項目在場地內(nèi)進行了地表溫度實測。主要實測數(shù)據(jù)有2個來源：一個是氣象局提供的自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度從2014年9月至2017年6月；另一個是項目團隊自測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度為2017年2月中旬及3月中旬各約1周，氣象監(jiān)測點布置位置如圖1所示。

本文選取日期相同的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，將站點海拔與其監(jiān)測的平均氣溫進行相關(guān)性分析(如圖2所示)，發(fā)現(xiàn)海拔與監(jiān)測點平均氣溫呈線性相關(guān)。其中，從監(jiān)測數(shù)據(jù)對比來看，西大莊科站的監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計團隊監(jiān)測數(shù)據(jù)較為接近，其他3個站點由于海拔相對較高，日平均氣溫明顯低于其他站點。

圖2 各監(jiān)測點氣溫數(shù)據(jù)與海拔的相關(guān)性分析

通過對E1、E2、N1、S1-1和S2-1與西大莊科站的氣溫數(shù)據(jù)進行逐時對比(如圖3、4所示)，發(fā)現(xiàn)西大莊科站的日變化趨勢與幾個自測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)比較接近。自測點的白天氣溫與氣象站較為接近，夜間氣溫普遍低于氣象站。這可能是由于幾個溫度測點的位置和傳感器所處環(huán)境的差異所導(dǎo)致的。

圖3 西大莊科站附近測點逐時平均溫度變化曲線

圖4 N1和S2監(jiān)測點逐日平均氣溫對比

1.3 賽期輻射與氣溫條件對比分析

為了分析賽期的輻射和氣溫條件，對雪車雪橇賽道地塊在冬奧賽期和冬殘奧賽期的氣溫數(shù)據(jù)和太陽輻射數(shù)據(jù)進行了對比分析。冬奧賽期為2月4—20日，共17 d；冬殘奧賽期為3月4—13日，共10 d。

基于上述條件，對場地內(nèi)部的氣溫和太陽輻照度進行整理分析，其中，太陽輻照度數(shù)據(jù)來自《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[3]。為了計算兩者的區(qū)別，根據(jù)選址的經(jīng)緯度進行了太陽高度角和方位角的計算[4]。計算得到雪車雪橇賽道的輻射總量如表1所示。

從表1可以看出，傾斜的賽道相對于水平面而言，會吸收更多的太陽輻射，也會帶來更多的制冷能耗。

2 賽道傳熱計算原理

賽道保持低溫主要依靠混凝土賽道地板的制冷管道將熱量帶走。根據(jù)賽道的基本構(gòu)造，賽道表面主要的換熱方式是對流和表面輻射換熱[5]，賽道背部與賽道混凝土板會有熱傳導(dǎo)換熱。

為了對比傳熱機理的差異，賽道設(shè)置了裸露和遮蔽2種工況(如圖5所示)，并建立了數(shù)學(xué)模型。裸露工況傳熱公式為

Ql=Qsa-I0+Qd-Qb+Qh+QI+Qt

(1)

式中Ql為總得熱；Qsa為裸露工況下吸收的短波輻射；I0為穿過表層進入冰內(nèi)的短波輻射；Qd為入射長波輻射；Qb為反射長波輻射；Qh為對流顯熱通量；QI為對流潛熱通量；Qt為熱傳導(dǎo)熱通量。

遮蔽工況傳熱公式為

Ql=Q′sa-I0+Qe-Qs+Qh+QI+Qt

(2)

式中Q′sa為遮蔽工況下吸收的短波輻射；Qe為與屋頂?shù)拈L波輻射換熱；Qs為與天空的長波輻射換熱。

2.1 熱傳導(dǎo)

對于固體和流體之間的熱傳遞，有時必須考慮附著于固體表面的流體薄膜的熱阻，因為其性質(zhì)與湍流和黏滯等復(fù)雜情況有關(guān)。而在建筑熱工計算中，將該部分的傳熱熱阻簡化為室內(nèi)表面換熱熱阻Rsi和室外表面換熱熱阻Rse，由于賽道內(nèi)表面和冰面直接接觸，因此不存在室內(nèi)表面換熱熱阻。

影響賽道熱傳導(dǎo)傳熱過程的2個邊界條件為賽道制冰溫度和室外空氣溫度，由于賽道的溫度相對恒定，室外空氣溫度的波動相對緩慢，忽略其瞬時溫度波動導(dǎo)致的熱量傳遞，其熱傳導(dǎo)的傳熱過程可認為是穩(wěn)態(tài)傳熱。

2.2 熱輻射

根據(jù)輻射的波長，熱輻射主要分為短波輻射和長波輻射2種。入射到地面的長波輻射來自于大氣層，取決于大氣層濕度和溫度的豎向分布，并且與云的狀況有密切關(guān)系。

裸露工況下，長波輻射包括入射長波輻射和反射長波輻射。入射長波輻射計算公式為

(3)

式中σb為玻耳茲曼常量；Ta為干球溫度；pa為水蒸氣壓力；CN為云量。

反射長波輻射計算公式為

(4)

式中εsfc為冰表面輻射率；Tsfc為冰表面溫度。

短波輻射即到達地面的太陽短波輻射，主要受當?shù)鼐暥?、太陽赤緯、太陽高度角、大氣中的氣溶膠粒子濃度、空氣污染程度及云量、云狀、水汽等因子的影響。對于裸露工況，短波輻射包括吸收的短波輻射和穿過表層進入冰內(nèi)的短波輻射。吸收的短波輻射計算公式為

Qsa=(1-α)Qse

(5)

式中α為冰面反照率；Qse為等同于對應(yīng)坡向入射的總短波輻射強度。

遮蔽工況下，長波輻射換熱包括與屋頂?shù)拈L波輻射換熱和與天空的長波輻射換熱。與屋頂?shù)拈L波輻射換熱計算公式為

(6)

式中εi為系統(tǒng)發(fā)射率；Tr為屋頂溫度；FSV為天空視野系數(shù)。

Qe計算值為正值表示得熱，負值表示失熱。

與天空的長波輻射換熱等于裸露工況下入射長波輻射與反射長波輻射的差值乘以天空視野系數(shù)，計算公式為

Qs=(Qd-Qb)FSV

(7)

遮蔽工況下吸收的短波輻射計算公式為

Q′sa=(1-α)Qss

(8)

式中Qss為遮蔽工況下入射的短波輻射，等于屏蔽后直射輻射+散射輻射。

Qss=(1-β)Rdir+RdifFSV

(9)

式中β為直射輻射屏蔽率；Rdir為直射輻射；Rdif為散射輻射。

2.3 熱對流

賽道在熱對流方面包括顯熱通量和潛熱通量。裸露工況下，顯熱通量計算公式為

Qh=ρacaCH(Ta-Tsfc)vae

(10)

式中ρa為空氣密度；ca為空氣比熱容；CH為湍流交換系數(shù)；vae為室外風(fēng)速。

潛熱通量計算公式為

Ql=ρaRlCH(da-dsfc)vae

(11)

式中Rl為蒸發(fā)焓(冰表面的液體水蒸發(fā)為水蒸氣所需的相變潛熱熱量)；da為空氣含濕量，用式(12)計算；dsfc為冰表面含濕量，用式(13)計算。

(12)

式中p0為海平面氣壓；φ為相對濕度。

(13)

式中psfc為冰表面飽和水蒸氣壓力。

遮蔽工況下，空氣含濕量和冰表面含濕量與裸露工況下計算公式一致。

3 模擬計算分析

通過對氣候影響要素和機理進行分析，將實測得到的氣溫、風(fēng)速、天空有效溫度、太陽總輻照度、地表溫度、水蒸氣壓力等要素作為賽道模型的輸入條件。利用賽道傳熱模型進行模擬計算，設(shè)定冰表面溫度保持在-11 ℃[6]。計算結(jié)果如圖6所示。

各類傳熱形式的換熱量都出現(xiàn)了晝高夜低的變化趨勢。由于周邊環(huán)境溫度晝夜都高于冰表面溫度，因此，導(dǎo)熱和對流換熱量晝夜均大于0，即賽道處于吸熱狀態(tài)。由于夜間天空溫度可降到-11 ℃以下，因此，輻射換熱量在夜間為負值，即賽道處于放熱狀態(tài)。從各類傳熱形式來看，導(dǎo)熱占比最小，為6.2%，對流和輻射占比分別為40.0%和53.8%。

圖6 賽道模型典型日傳熱曲線對比

為了對比賽道在裸露和遮蔽工況下的傳熱差別，基于熱平衡計算模型，分別設(shè)定了裸露工況和遮蔽工況的邊界條件。其中，裸露工況設(shè)定為賽道直接裸露在室外條件下，而遮蔽工況的邊界條件受建筑設(shè)計和賽事運營條件的限制，必須保證賽道開敞的特性，實際上賽道無法做到完全遮蔽。因此，本文結(jié)合項目的建筑設(shè)計方案，對所采用的設(shè)計和運營技術(shù)措施進行合理假設(shè)，通過對各種熱傳導(dǎo)形式的關(guān)鍵因素進行分析，并結(jié)合歷屆賽道設(shè)計所采用的技術(shù)和運營措施，設(shè)立相應(yīng)的技術(shù)目標，進而對遮蔽工況進行參數(shù)設(shè)定。具體措施見表2。

表2 遮蔽工況所采用的措施

基于上述對裸露工況和遮蔽工況的設(shè)計，對賽道熱平衡進行動態(tài)模擬計算，結(jié)果見表3、4。

表3 裸露和遮蔽工況計算結(jié)果

表4 裸露工況和遮蔽工況下各種傳熱形式傳熱量

從表3可以看出：通過將賽道遮蔽，可以有效降低賽道與外界的傳熱量，總體降低傳熱量的比例為37.7%，其中，白天的降低幅度大于夜間，主要原因是夜間的氣溫較低且無太陽輻射，遮蔽賽道所帶來的益處相對較少。

從表4可以看出：通過遮蔽方式，賽道的輻射傳熱量下降較多，占比為21.9%，其中，遮陽措施占比為12.2%，低發(fā)射率建筑材料措施占比為9.7%；對流形式占比為15.8%。

4 結(jié)語

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，雪車雪橇賽道由于是室外場館，其室外氣候?qū)惖乐票芎挠绊戄^大。本研究在室外氣象要素分析的基礎(chǔ)上，建立了賽道熱平衡計算模型，并進行了模擬計算。研究發(fā)現(xiàn)，賽道的所有傳熱要素中，由輻射導(dǎo)致的熱損失最大，其次是對流。相對賽道裸露在外，通過將賽道遮蔽起來，可以有效降低賽道與外界的傳熱量，因此對于雪車雪橇賽道而言，賽道遮蔽能夠帶來一定的節(jié)能收益。

為了降低日后的賽道運營能源費用，有必要對賽道進行一定的節(jié)能設(shè)計。由于賽道賽事組織的需要，還需要保持一定的開敞性，保持其室外賽道的特性。因此，要降低賽道的運行能耗，必要的手段是降低賽道收到的太陽直射，以減少由于日照帶來的熱損失，主要技術(shù)措施是遮陽和采用低輻射建筑材料。另外，降低賽道表面的對流強度，也有利于降低賽道的對流熱損失，進一步降低賽道的制冰能耗。